Линейный индукционный ускоритель с микросекундной длительностью импульсов

Полезная модель относится к ускорительной технике и может быть использована для генерации электронных и ионных пучков микросекундной длительности с высокой частотой следования импульсов. Линейный индукционный ускоритель с микросекундной длительностью импульсов содержит индукционную систему (1) и три магнитных импульсных генератора (3, 4, 5). Индукционная система (1) состоит из ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания, выводы (2) которых соединены между собой с каждой стороны сердечников. Магнитные импульсные генераторы (3, 4, 5) имеют не менее двух звеньев сжатия, образованных дросселем насыщения и конденсатором. Одноименные выводы последних звеньев сжатия всех магнитных импульсных генераторов (3, 4, 5) соединены между собой и подключены электрически к выводам (2) витков намагничивания. Ускоритель содержит дополнительный конденсатор (С_ф ), который подключен параллельно виткам намагничивания индукционной системы (1). Технический результат заключается в снижении потерь энергии в индукционной системе путем сглаживания пульсаций на вершине выходного импульса микросекундной длительности. 3 ил.

Полезная модель относится к ускорительной технике и может быть использована для генерации электронных и ионных пучков микросекундной длительности с высокой частотой следования импульсов.

Для получения сильноточных электронных и ионных пучков с длительностью импульсов сотни наносекунд и высокой частотой следования импульсов применяются линейные индукционные ускорители [Винтизенко И.И., Фурман Э.Г. Линейные индукционные ускорители. Известия ВУЗов Физика. Издание ТТУ, 1998, 4, Приложение, с.111-119]. Устройство содержит индукционную систему в виде набора ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания. К виткам намагничивания подключены электроды формирующей линии. На один из электродов формирующей линии от источника питания подается импульс зарядного напряжения, как правило, положительной полярности, амплитудой 30-250 кВ в зависимости от класса установки. Второй электрод заземлен. После включения коммутатора формирующей линии, представляющего собой дроссель насыщения с тороидальным сердечником из ферромагнитной стали и установленного в разрыве любого из электродов, одинарная формирующая линия начинает разряжаться на витки индукционной системы, формируя ток по виткам намагничивания ферромагнитных сердечников. Этот ток возбуждает изменяющийся во времени магнитный поток, создающий вихревое электрическое поле, ускоряющее заряженные частицы. Напряженность электрического поля на оси индукционной системы определяется как:

где n - число ферромагнитных сердечников, U(t) - напряжение возбуждения сердечников, L - длина индукционной системы.

Использование магнитного коммутатора формирующей линии позволяет коммутировать ток в сотни килоампер и частотой в единицы килогерц с неограниченным ресурсом работы. Однако в этом случае требуется осуществлять зарядку формирующей линии за время сотни наносекунд от магнитного импульсного генератора, иначе размеры, а значит и индуктивность такого коммутатора становятся недопустимо большими. Противоположные концы электродов формирующей линии подключены к магнитному импульсному генератору. Заземленный электрод формирующей линии разомкнут и в разрыв включен магнитный коммутатор. Магнитный импульсный генератор представляет собой последовательность N звеньев сжатия (LC-контуров с увеличивающейся частотой собственных колебаний). Каждое звено сжатия содержит конденсатор и дроссель насыщения. Емкости конденсаторов звеньев сжатия С₁, С₂С_N обычно равны между собой и равны емкости С_фл одинарной формирующей линии. Каждый следующий дроссель насыщения L_i по сравнению с предыдущим L _i-1 имеет меньшее число витков обмотки, то есть меньшую индуктивность обмотки при насыщенном состоянии сердечника. Поэтому процессы передачи энергии от предыдущего звена сжатия к последующему звену происходят за меньший интервал времени, чем и обеспечивается компрессия энергии для зарядки формирующей линии за малый интервал времени (сотни наносекунд).

Такие линейные индукционные ускорители могут работать с частотой следования импульсов в единицы килогерц. Основной их недостаток - короткая длительность импульса выходного высокого напряжения (не более 200 нс). Это связано: 1) с применением формирующих линий, имеющих ограниченную длину, 2) с использованием магнитных коммутаторов, способных обеспечивать зарядку формирующих линий с электрической длиной 0,5-1 мкс, только при значительной массе ферромагнитного материала, а значит, при больших размерах и большой индуктивности обмотки, что делает невозможным формирование прямоугольного импульса выходного напряжения, 3) с использованием индукционной системы, способной трансформировать импульс напряжения ограниченное время до момента насыщения ферромагнитных сердечников. Допустимый интервал времени t от момента подачи прямоугольного импульса напряжения амплитудой U до момента насыщения сердечников определяется по следующей формуле:

где =·S·В - величина потокосцепления индукционной системы, со - число витков намагничивания ферромагнитных сердечников индукционной системы, S - сечение стали ферромагнитных сердечников, В - размах магнитной индукции в стали сердечников. Для получения выходного импульса прямоугольной формы или близкой к ней изготавливают индукционные системы с одним витком намагничивания сердечников. Увеличение числа витков намагничивания в N раз приводит к увеличению в N² раз индуктивности рассеяния индукционной системы. Выходной импульс напряжения индукционной системы приобретает куполообразный вид. В случае использования линейного индукционного ускорителя для формирования пучков заряженных частиц следует ожидать большого энергетического разброса частиц. Увеличение потокосцепления индукционной системы ограничено размером выпускаемых промышленностью ферромагнитных сердечников, а величина В ограничена свойствами ферромагнитного материала. С учетом изложенного выше линейные индукционные ускорители изготавливаются для формирования импульсов высокого напряжения наносекундной длительности.

Наиболее близким техническим решением является конструкция линейного индукционного ускорителя [I.I.Vintizenko, A.I.Mashchenko, V.Yu.Mityushkina. High-Voltage Generator of Microsecond Pulses. 14^th Symposium on High Current Electronics. - Tomsk, Russia, 10-15 September, 2006, p.p. 262-265]. При разработке генератора высоковольтных импульсов микросекундного диапазона был использован принцип последовательного разряда трех магнитных импульсных генераторов на индукционную систему. Данное устройство содержит индукционную систему, состоящую из ряда последовательно установленных тороидальных ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания. Выводы витков намагничивания объединены между собой с каждой стороны сердечников и подключены к выводам последних звеньев сжатия трех магнитных импульсных генераторов. Магнитные импульсные генераторы состоят из последовательных LC-звеньев сжатия, имеют одинаковую электрическую схему и принцип работы. В устройстве отсутствует формирующая линия, роль которой выполняют конденсаторы последних звеньев сжатия магнитных импульсных генераторов и отсутствуют магнитные коммутаторы, роль которых выполняют дроссели насыщения последних звеньев сжатия магнитных импульсных генераторов. При этом величины потокосцеплений _mN дросселей насыщения последних звеньев сжатия каждого магнитного импульсного генератора отличаются друг от друга на величину, равную:

где<U_mN>=U_mN /2 - среднее действующее значение напряжения, U_mN - амплитуда зарядного напряжения на конденсаторах последних звеньев сжатия, L_mN - индуктивность обмоток дросселей насыщения последних звеньев сжатия, C_mN - емкость конденсаторов последних звеньев сжатия дополнительных магнитных импульсных генераторов. Значение 0,5 соответствует включению дополнительного магнитного импульсного генератора в половине длительности (примерном максимуме) импульса тока разряда предыдущего магнитного импульсного генератора. В этом случае в нагрузке формируется импульс с формой, близкой к трапецеидальной. Однако на вершине импульса имеются значительные пульсации.

Использование дополнительных магнитных импульсных генераторов, изготовленных по указанному выше принципу, позволяет осуществлять их последовательный разряд на витки намагничивания индукционной системы, которая формирует импульсы напряжения и тока микросекундной длительности.

Поскольку импульсы в активной нагрузке при работе каждого отдельного магнитного импульсного генератора имеют куполообразную форму, то рабочий импульс в нагрузке от трех магнитных импульсных генераторов, разряжающихся на нагрузку последовательно, будет иметь значительные колебания амплитуды на вершине импульса. Эти пульсации возрастают при увеличении времени подключения последних звеньев второго и третьего магнитных импульсных генераторов к индукционной системе. Результаты моделирования физических процессов, протекающих в устройстве прототипе при генерировании высоковольтных импульсов тока, представленные на Фиг.1, показали, что при соблюдении условия (3) величина пульсаций на вершине импульса в активной нагрузке составляет до ~ 20%.

Основным недостатком, присущим устройству - прототипу, является большая величина колебаний амплитуды на вершине импульса, обусловленная временным интервалом между отдельными импульсами при разряде конденсаторов последних звеньев сжатия магнитных импульсных генераторов на витки намагничивания сердечников индукционной системы. Значительные пульсации на вершине выходных импульсов высокого напряжения снижают эффективность применения таких устройств для генерации сильноточных пучков заряженных частиц большой энергии, которые при этом приобретают большой энергетический разброс. Кроме того, устранение колебаний на плоской части импульса является важным, например, при модуляции мощных релятивистских магнетронных генераторов. Но наиболее важным является то, что большие пульсации на вершине генерируемого импульса микросекундной длительности ведут к росту потерь энергии в индукционной системе, соответствующему снижению ее КПД и снижению общего КПД линейного индукционного ускорителя. Потери энергии в индукционной системе оказывают большое влияние и на технические характеристики ускорителя, поскольку сопровождаются дополнительными тепловыделениями в элементах конструкции, ростом температуры охлаждающей жидкости (трансформаторного масла) и, как следствие, необходимостью снижения рабочей частоты ускорителя либо уменьшению количества импульсов в пакетном режиме.

Задачей предлагаемой полезной модели является создание линейного индукционного ускорителя с уменьшенными потерями энергии в индукционной системе при микросекундной длительности выходных импульсов.

Техническим результатом является снижение потерь энергии в индукционной системе путем сглаживания пульсаций на вершине выходного импульса микросекундной длительности.

Для решения данной задачи предлагается линейный индукционный ускоритель, содержащий индукционную систему, состоящую из ряда последовательно установленных тороидальных ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания, выводы которых соединены между собой с каждой стороны сердечников, а также три магнитных импульсных генератора, имеющих не менее двух звеньев сжатия, образуемых дросселем насыщения и конденсатором, одноименные выводы последних звеньев сжатия всех магнитных импульсных генераторов соединены между собой и подключены электрически к выводам витков намагничивания сердечников, отличающийся от прототипа тем, что содержит дополнительный конденсатор, который подсоединен параллельно виткам намагничивания сердечников индукционной системы.

Полезная модель иллюстрируется графическими материалами:

Фиг.1 - Выходные импульсы тока I_н и напряжения U_н микросекундной длительности на омической нагрузке в устройстве прототипе;

Фиг.2 - Принципиальная электрическая схема устройства, где обозначено: 1 - ферромагнитная индукционная система, 2 - выводы витков намагничивания индукционной системы, 3 - первый магнитный импульсный генератор, состоящий из конденсаторов C₁ и С₁₂ и дросселей насыщения L₁₁ и L₁₂, 4 - второй магнитный импульсный генератор, состоящий из конденсаторов C₁ и С₂₂ и дросселей насыщения L₂₁ и L₂₂, 5 - третий магнитный импульсный генератор, состоящий из конденсаторов C ₁ и С₃₂ и дросселей насыщения L₃₁ и L₃₂, С_ф - дополнительный конденсатор, включенный параллельно виткам намагничивания сердечников индукционной системы, R_Н - сопротивление нагрузки.

Фиг.3 - Выходные импульсы тока I_н и напряжения U _н микросекундной длительности на омической нагрузке в предлагаемом устройстве.

Устройство содержит индукционную систему 1, состоящую из ряда последовательно установленных тороидальных ферромагнитных сердечников. Ферромагнитные сердечники охвачены витками намагничивания, имеющими выводы 2. Выводы витков намагничивания 2 объединены с обеих сторон сердечников и подключены к общим выводам последних звеньев сжатия трех магнитных импульсных генераторов 3, 4, 5. Магнитные импульсные генераторы 3, 4, 5 представляют собой последовательность не менее чем двух звеньев сжатия, состоящих из конденсаторов и дросселей насыщения. Между общими выводами последних звеньев сжатия трех магнитных импульсных генераторов 3, 4, 5 и выводами индукционной системы, параллельно виткам намагничивания сердечников индукционной системы 1 подключен дополнительный конденсатор С_ф.

Устройство работает следующим образом. Первоначально первичный источник питания С₀ (на фиг.2 не показан) разряжается на конденсатор C₁ через импульсный трансформатор при включении игнитронного или тиристорного коммутатора. При заряде конденсатора C₁ к виткам обмоток дросселей насыщения L₁₁, L₂₁ и L₃₁ прикладывается разность потенциалов U_С1, вызывающая протекание тока намагничивания по обмоткам и перемагничивание общего сердечника дросселей насыщения L₁₁, L₂₁ и L₃₁ . Величины потокосцеплений дросселей L₁₁, L₂₁ и L₃₁ выбираются такими, чтобы к моменту окончания заряда конденсатора C₁ общий сердечник дросселей насыщения L₁₁, L₂₁ и L₃₁ перешел в насыщенное состояние:

где ₁₁ и S₁ - число витков и площадь поперечного сечения ферромагнитного сердечника дросселей насыщения L₁₁, L₂₁ и L₃₁, В - приращение индукции (для пермаллоя 50 НП В=2,5 Т).

Для того чтобы не происходила передача энергии между первыми звеньями сжатия отдельных магнитных импульсных генераторов необходимо, чтобы процессы в них протекали одновременно. Поэтому в первых звеньях используются элементы с одинаковыми параметрами и номиналами.

При насыщении сердечника дросселей L₁₁, L₂₁ и L₃₁ его магнитная проницаемость уменьшается от µ10⁵ до µ1 и индуктивность обмоток дросселей падает до величины индуктивности воздушной обмотки. Вследствие этого конденсатор C₁ начинает разряжаться на конденсаторы С₁₂ , С₂₂ и С₃₂, включенные параллельно. Для эффективной передачи энергии в конкретном устройстве должно выполняться следующее соотношение между емкостями конденсаторов:

Под действием напряжения на C₁₂ , С₂₂ и С₃₂, в интервале времени их заряда, происходит перемагничивание сердечников дросселей насыщения (магнитных коммутаторов) последних звеньев сжатия L₁₂, L ₂₂ и L₃₂. Величина потокосцепления ₁₂ дросселя L₁₂ должна быть достаточной, чтобы завершить разряд конденсатора C₁ на конденсаторы C₁₂, С₂₂ и С₃₂, т.е. соответствовать следующему условию:

где U_С12=U_С22=U _С32=52 кВ - амплитуда зарядного напряжения конденсаторов С₁₂, С₂₂ и С₃₂, t₁ - время разряда конденсатора C₁ на конденсаторы С₁₂, С₂₂ и С₃₂ :

где мкГн - общая индуктивность разрядного контура, включающая индуктивность обмоток дросселей L₁₁, L₂₁ и L₃₁ в насыщенном состоянии их сердечника, собственную индуктивность конденсаторов C₁, С₁₂, С ₂₂, С₃₂ и индуктивность соединительных проводников.

Емкости конденсаторов должны быть одинаковыми С ₁₂=С₂₂=С₃₂=0,188 мкФ, чтобы осуществить эффективную передачу энергии от первого звена сжатия ко второму, а также обеспечить равенство амплитуды зарядных напряжений и длительности зарядных и разрядных процессов. Дроссель насыщения L₁₂ можно изготовить из четырех сердечников с размерами D₁₂=0,5 м, d₁₂=0,22 м, l₁₂=0,025 м, коэффициент заполнения сталью объема сердечника К=0,8, материал пермаллой 50 НП, со сплошной медной одновитковой обмоткой (₁₂=1). Индуктивность обмотки дросселя при насыщенном состоянии сердечников составляет:

где ₁₂ - число витков обмотки, D₁₂=0,525 м, d₁₂=0,194 м - внешний и внутренний диаметры обмотки, l₁₂=0,134 м - аксиальный размер обмотки.

Суммарная индуктивность контура разряда конденсатора С₁₂ на витки намагничивания индукционной системы (нагрузку) через насыщенный дроссель L ₁₂ равна ~ 0,25 мкГн. Она состоит из индуктивности обмотки дросселя L₁₂ в насыщенном состоянии сердечников, индуктивности рассеяния индукционной системы, индуктивности нагрузки, собственной индуктивности конденсатора С₁₂ и индуктивности соединительных проводников. Время разряда конденсатора С₁₂ на витки намагничивания индукционной системы (длительность импульса в нагрузке от одного магнитного импульсного генератора) будет равно:

Применение в звеньях сжатия элементов с указанными выше параметрами позволяет получить на выходе каждого магнитного импульсного генератора импульс с длительностью по основанию ~ 0,7 мкс. Чтобы получить выходной импульс ускорителя длительностью 1 мкс необходимо сформировать на общем выходе трех магнитных импульсных генераторов три импульса, каждый длительностью ~ 0,7 мкс, с временной задержкой t_и·0,5=0,7 мкс·0,5=0,35 мкс между первым и вторым импульсом и ~ 0,7 мкс между первым и третьим импульсом. Задержать выходной импульс второго магнитного импульсного генератора на 0,35 мкс можно за счет увеличения потокосцепления дросселя насыщения L₂₂. Задержать выходной импульс третьего магнитного импульсного генератора на 0,7 мкс можно за счет увеличения потокосцепления дросселя насыщения L₃₂ .

Потокосцепление дросселя насыщения L₂₂ выбирается из следующего условия:

Дроссель насыщения L₂₂ может быть изготовлен из пяти сердечников с размерами D₂₂ =0,5 м, d₂₂=0,22 м, l₂₂=0,025 м, К=0,8, материал пермаллой 50 НП, со сплошной медной одновитковой обмоткой (₂₂=1). Индуктивность витка намагничивания дросселя насыщения L₂₂ в насыщенном состоянии сердечника равна:

где D₂₂=0,525 м, d₂₂ =0,194 м - внешний и внутренний диаметры обмотки, l₂₂ =0,162 м - аксиальный размер обмотки.

Потокосцепление дросселя насыщения L₃₂ выбирается из условия:

Дроссель насыщения L₃₂ можно изготовить из шести сердечников с размерами D₃₂=0,5 м,

D₃₂=0,22 м, l₃₂=0,025 м, К=0,8, материал пермаллой 50 НП, со сплошной медной одновитковой обмоткой (₃₂=1). Индуктивность обмотки дросселя L ₃₂ в насыщенном состоянии сердечника равна:

где D₃₂=0,525 м, d₃₂ =0,194 м - внешний и внутренний диаметры обмотки, l₃₂ =0,19 м - аксиальный размер обмотки.

В интервале времени t₁ происходит перемагничивание сердечника дросселя L₁₂ и конденсатор С₁₂ начинает разряжаться через дополнительный конденсатор С_ф на витки намагничивания сердечников индукционной системы и формируется высоковольтный импульс в нагрузке. Разряд конденсатора С₂₂ второго магнитного импульсного генератора начинается после перемагничивания сердечника дросселя L₂₂ в момент времени, который соответствует примерно половине длительности разрядного импульса первого магнитного импульсного генератора (конденсатор С ₁₂). Третий магнитный импульсный генератор (конденсатор С₃₂) начинает разряжаться после перемагничивания сердечника дросселя L₃₂ в момент времени, соответствующий окончанию разрядного импульса первого магнитного импульсного генератора и половине длительности разрядного импульса второго магнитного импульсного генератора. Три отдельных последовательных импульса, суммируясь на нагрузке, формируют рабочий импульс высокого напряжения микросекундной длительности.

Включение в электрическую цепь между выходами последних звеньев сжатия трех магнитных импульсных генераторов 3, 4, 5 и витками намагничивания сердечников индукционной системы 1 дополнительного реактивного элемента, а именно, конденсатора С_ф позволяет сгладить пульсации амплитуды выходного импульса ускорителя.

Расчет емкости С_ф следует производить, исходя из параметров переменной составляющей выходного импульса в нагрузке, которая представляет собой последовательность импульсов куполообразной формы. По эквивалентной электрической схеме дополнительный конденсатор С_ф, подключенный параллельно виткам намагничивания индукционной системы (нагрузки), является фактически входной емкостью индукционной системы. Этот конденсатор периодически (соответственно числу импульсов переменной составляющей) подзаряжается и разряжается на нагрузку, сглаживая пульсации и поддерживая при этом постоянную составляющую напряжения неизменной. Амплитуда переменной составляющей зависит от постоянной времени разряда _р конденсатора С_ф:

где где R_н=1,389 Ом - эквивалентное сопротивление нагрузки. Чем больше емкость С_ф, тем больше постоянная времени разряда _р и тем меньше амплитуда переменной составляющей импульса. Поэтому в выпрямительной технике постоянную времени разряда _р выбирают большой в сравнении с периодом (длительностью) _и выпрямленного напряжения. Обычно _р3_и.

Однако в линейном индукционном ускорителе с тремя магнитными импульсными генераторами, из-за малого количества импульсов переменной составляющей (соответственно условно «малой» длительности импульса выходного напряжения) и требования малой длительности фронта выходного импульса в нагрузке, нельзя значительно увеличивать постоянную времени разряда дополнительного конденсатора С_ф, так как при этом амплитуда рабочего импульса сильно уменьшается, отсутствует плоская вершина, фронт и срез сливаются. Устройства, генерирующие такие импульсы, не находят практического использования.

В предлагаемом устройстве величина постоянной времени разряда дополнительного конденсатора С_ф определяется из выражения:

где _и=0,215 мкс - максимальная длительность отдельного импульса переменной составляющей.

Из выражения (15) определяется величина емкости С_ф дополнительного конденсатора:

При этом величина пульсаций составляет менее 1%, что ведет к значительному снижению потерь энергии в индукционной системе и расширяет возможности для практического использования устройства. Выражение (16) справедливо при любом числе магнитных импульсных генераторов в устройстве, но больше одного.

Конструктивно сглаживающий фильтр С _ф может быть выполнен в виде сборки конденсаторов, размещенных в баке вокруг сердечников индукционной системы. Величина емкости С_ф=0,3 мкФ набирается из 12 конденсаторов типа К75-74-40 кВ - 0,1 мкФ, соединенных последовательно-параллельно.

Компьютерное моделирование, проведенное на основе полученных расчетных параметров элементов эквивалентной электрической схемы устройства, показывает (Фиг.3), что в рассмотренном примере конкретного выполнения линейного индукционного ускорителя с использованием дополнительной емкости С_ф, включенной между общим выходом трех магнитных импульсных генераторов и витками намагничивания ферромагнитных сердечников индукционной системы, происходит эффективное сглаживание пульсаций на вершине выходного импульса, который приобретает трапецеидальную форму с плоской вершиной. Коэффициент пульсаций при этом имеет величину k_п10^-2 (меньше 1%). Уменьшение k_п<10 ^-2 ведет к затягиванию фронтов импульса из-за увеличения емкости конденсатора С_ф, а увеличение k_п >10^-2 приводит к росту амплитуды переменной составляющей выходного импульса из-за снижения емкости конденсатора С _ф.

Таким образом, в предлагаемом линейном индукционном ускорителе, формирующем выходные импульсы напряжения микросекундной длительности, осуществляется снижение потерь энергии в индукционной системе путем сглаживания пульсаций разрядных импульсов с помощью дополнительного конденсатора С_ф , включенного между общим выходом трех магнитных импульсных генераторов и витками намагничивания сердечников индукционной системы. Снижение энергии потерь за счет уменьшения высокочастотных пульсаций амплитуды выходного импульса ведет к увеличению КПД индукционной системы и, соответственно, увеличению общего КПД ускорителя.

Линейный индукционный ускоритель с микросекундной длительностью импульсов, содержащий индукционную систему, состоящую из ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания, выводы которых соединены между собой с каждой стороны сердечников, и три магнитных импульсных генератора, имеющих не менее двух звеньев сжатия, образуемых дросселем насыщения и конденсатором, одноименные выводы последних звеньев сжатия всех магнитных импульсных генераторов соединены между собой и подключены электрически к выводам витков намагничивания, отличающийся тем, что параллельно виткам намагничивания индукционной системы подсоединен дополнительный конденсатор.